Establishment of an environmental suitability diagnosis method for urban trees: Introduction of stomatal response assessment using aquaporins

• Project/Area Number: 19H04281
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 63040:Environmental impact assessment-related
• Research Institution: Kyoto Institute of Technology
• Principal Investigator: 富田 祐子 (半場祐子) 京都工芸繊維大学, 応用生物学系, 教授 (90314666)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 馬場 啓一 京都大学, 生存圏研究所, 助教 (20238223) ; 久米 篤 九州大学, 農学研究院, 教授 (20325492) ; 奈良 久美 奈良女子大学, 自然科学系, 准教授 (30322663) ; 北島 佐紀人 京都工芸繊維大学, 応用生物学系, 准教授 (70283653)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥10,790,000 (Direct Cost: ¥8,300,000、Indirect Cost: ¥2,490,000); Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000); Fiscal Year 2019: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
• Keywords: 炭素安定同位体比 / 水利用効率 / 大気汚染 / 光合成 / 気孔コンダクタンス / 街路樹 / アクアポリン / 炭素安定同位体 / 気孔 / COVID19 / 葉肉コンダクタンス / 乾燥ストレス / VPD / 塩ストレス / 変異体 / 水透過活性 / 気孔応答 / 遺伝子解析

Outline of Research at the Start

都市樹木は、樹冠による被陰や蒸散による冷却効果、大気汚染物質の捕捉・二酸化炭素吸収などにより都市環境を改善する。樹木活性の維持には光合成と蒸散を調節する気孔開閉特性が鍵となるが、樹種によって大きな差がある。この応答性の変異が生じる生理学的機構を明らかにし、都市樹木の樹冠形成と光合成生産を最適化するために、気孔応答の調節因子の一つである「アクアポリン」について、分子レベルから実際の植栽木レベルまでのスケールの実験的解析を実施する。モデル植物による解析と実際の街路環境との関係性を明らかにするための野外実験を実施して、気孔応答調節の生理学的・遺伝学的メカニズムを解明する。

Outline of Annual Research Achievements

炭素安定同位体比および光合成測定により、ポプラおよび街路樹の環境応答機構を解析した。
（１）ポプラの冠水ストレス応答　ポプラに冠水ストレスを与えたところ、葉の光合成機能にはほとんど低下が見られなかった。炭素安定同位体比も冠水ストレスによってほとんど変化しなかったことから、冠水はポプラの光合成機能にあまり大きな影響は与えないことが明らかになった。
（２）街路樹の弱光に対する光合成応答　イチョウを弱光環境で栽培し、弱光に対する耐性を評価した。弱光で光合成速度は低下したが、葉の炭素安定同位体比にほぼ変化がみられなかったことから、長期的な水利用効率は、弱光によってほとんど影響を受けないことが明らかになった。
（３）街路樹の大気汚染に対する光合成機能応答　京都府造園組合との協働により、2023年11月に、大気汚染レベルが異なる京都市内の調査地において4種（高木：イチョウ・ソメイヨシノ、低木：ヒラドツツジ・シャリンバイ）の街路樹サンプリングを行った。葉の「同位体比」の測定を行った結果、シャリンバイ以外の3種では、交通量が多く大気汚染レベルが高い調査地の方が光合成活性が低くなっていることが明らかになった。一方、2020-2023年度に得られた結果を、2005年-2008年までに得られた結果と比較すると、2020年-2023年は、低木の街路樹であるイチョウ・ソメイヨシノ・ヒラドツツジについては、大気汚染による光合成活性の低下が抑制されていたことが示された。さらにこの期間の光合成活性低下の抑制には、新型コロナウイルス感染症（COVID-19）による経済停滞の影響はほとんどなく、むしろ排気ガス規制などによる長期的な大気汚染改善が大きく貢献していることが明らかになった。

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Variation in leaf mesophyll anatomy of fern species imposes significant effects on leaf gas exchange, light capture, and leaf hydraulic conductance (2023)
  • Author(s): FUJII S.、NISHIDA K.、AKITSU T.K.、KUME A.、HANBA Y.T.
  • Journal Title: Photosynthetica Volume: 61 Issue: SPECIAL ISSUE 2023/1 Pages: 225-235
  • DOI: 10.32615/ps.2023.017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Leaf optical properties and photosynthesis of fern species with a wide range of divergence time in relation to mesophyll anatomy (2023)
  • Author(s): Hanba Yuko T、Nishida Keisuke、Tsutsui Yuuri、Matsumoto Mayu、Yasui Yutarou、Sizhe Yang、Matsuura Takumi、Kawaguchi Akitsu Tomoko、Kume Atsushi
  • Journal Title: Annals of Botany Volume: 131 Issue: 3 Pages: 437-450
  • DOI: 10.1093/aob/mcad025
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of sex and soil water chemistry on leaf morphology and physiology of Myrica gale var. tomentosa (2022)
  • Author(s): Mizuki Inoue、Sango Yoshiharu、Ishida Kiyoshi、Hanba Yuko T.、Chiwa Masaaki、Uehara Yoshitoshi、Kume Atsushi
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 17 Issue: 9 Pages: 01-5
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0275024
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Responses of photosynthesis and long-term water use efficiency to ambient air pollution in urban roadside trees (2022)
  • Author(s): Matsumoto Mayu、Kiyomizu Takashi、Yamagishi Saya、Kinoshita Tomomitsu、Kumpitsch Luisa、Kume Atsushi、Hanba Yuko T.
  • Journal Title: Urban Ecosystems Volume: 25 Issue: 4 Pages: 1029-1042
  • DOI: 10.1007/s11252-022-01212-z
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Experimental study of intra-ring anatomical variation in Populus alba L. with respect to changes in temperature and day-length conditions. (2022)
  • Author(s): Kei' ichi Baba, Yuko Kurita, Tetsuro Mimura
  • Journal Title: Forests Volume: 13 Issue: 7 Pages: 1151-1159
  • DOI: 10.3390/f13071151
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Visualization of phosphorus re-translocation and phosphate transporter expression profiles in a shortened annual cycle system of poplar. (2022)
  • Author(s): Yuko Kurita;Satomi Kanno;Ryohei Sugita;Atsushi Hirose;Miwa Ohnishi;Ayumi Tezuka;Ayumi Deguchi;Kimitsune Ishizaki;Hidehiro Fukaki;Kei'ichi Baba;Atsushi J Nagano;Keitaro Tanoi;Tomoko M Nakanishi;Tetsuro Mimura
  • Journal Title: Plant, cell & environment Volume: 45 Issue: 6 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1111/pce.14319
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The role of chaperone complex HSP90-SGT1-RAR1 as the associated machinery for hybrid inviability between Nicotiana gossei Domin and N. tabacum L. (2021)
  • Author(s): Katsuyama, Y., Doi, M., Shioya, S., Hane, S., Yoshioka, M., Date, S., Miyahara, C., Ogawa, T., Takada, R., Okumura, H., Ikusawa, R., Kitajima, S., Oda, K., Sato, K., Tanaka, Y., Tezuka, T., Mino, M.
  • Journal Title: Gene Volume: 776 Pages: 145443-145443
  • DOI: 10.1016/j.gene.2021.145443
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Gene expression of PLAT and ATS3 proteins increases plant resistance to insects (2021)
  • Author(s): Savadogo, E.H., Shiomi, Y., Yasuda, J., Akino, T., Yamaguchi, M., Yoshida, H., Umegawachi, T., Tanaka, R., Suong, D.N.A., Miura, K., Yazaki, K., Kitajima, S.
  • Journal Title: Planta Volume: 253 Issue: 2 Pages: 0-0
  • DOI: 10.1007/s00425-020-03530-y
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Responses of leaf photosynthetic traits, water use efficiency, and water relations in five urban shrub tree species under drought stress and recovery (2021)
  • Author(s): Hiroki Horike, Tomomitsu Kinoshita, Atsuhi Kume, and Yuko T. Hanba
  • Journal Title: Trees Volume: in press Issue: 1 Pages: 53-67
  • DOI: 10.1007/s00468-021-02083-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] How plants grow under gravity conditions besides 1 g: perspectives from hypergravity and space experiments that employ bryophytes as a model organism (2021)
  • Author(s): Kume Atsushi、Kamachi Hiroyuki、Onoda Yusuke、Hanba Yuko T.、Hiwatashi Yuji、Karahara Ichirou、Fujita Tomomichi
  • Journal Title: Plant Molecular Biology Volume: - Issue: 4-5 Pages: 279-291
  • DOI: 10.1007/s11103-021-01146-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impact of reduced ozone concentration on the mountain forests of Mt. Tateyama, Japan (2020)
  • Author(s): Kume A, Fujimoto M, Mizoue N, Honoki H, Nakajima H, Ishida M
  • Journal Title: Environmental Pollution Volume: 267 Pages: 115407-115407
  • DOI: 10.1016/j.envpol.2020.115407
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Molecular cloning and characterization of UDP-glucose: Volatile benzenoid/phenylpropanoid glucosyltransferase in petunia flowers (2020)
  • Author(s): Koeduka Takao、Ueyama Yukiko、Kitajima Sakihito、Ohnishi Toshiyuki、Matsui Kenji
  • Journal Title: Journal of Plant Physiology Volume: 252 Pages: 153245-153245
  • DOI: 10.1016/j.jplph.2020.153245
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Sensitivity of stomatal conductance to vapor pressure deficit and its dependence on leaf water relations and wood anatomy in nine canopy tree species in a Malaysian wet tropical rainforest (2020)
  • Author(s): Shoko Tsuji, Toru Nakashizuka, Koichiro Kuraji, Atsushi Kume, Yuko T. Hanba
  • Journal Title: Trees Volume: 34 Issue: 5 Pages: 1299-1311
  • DOI: 10.1007/s00468-020-01998-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Seasonal variations in photosynthetic functions of the urban landscape tree species Gingko biloba: photoperiod is a key trait (2020)
  • Author(s): Tomomitsu Kinoshita, Atsushi Kume, and Yuko T. Hanba
  • Journal Title: Trees Volume: 35 Issue: 1 Pages: 273-285
  • DOI: 10.1007/s00468-020-02033-3
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A high-performance system of multiple gas-exchange chambers with a laser spectrometer to estimate leaf photosynthesis, stomatal conductance, and mesophyll conductance (2019)
  • Author(s): Yonemura Seiichiro、Kodama Naomi、Taniguchi Yojiro、Ikawa Hiroki、Adachi Shunsuke、Hanba Yuko T.
  • Journal Title: Journal of Plant Research Volume: 132 Issue: 5 Pages: 705-718
  • DOI: 10.1007/s10265-019-01127-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Overexpressing the HD-Zip class II transcription factor EcHB1 from Eucalyptus camaldulensis increased the leaf photosynthesis and drought tolerance of Eucalyptus (2019)
  • Author(s): Keisuke Sasaki, Yuuki ida, Sakihito Kitajima, Tetsu Kawazu, Takashi Hibino,Yuko T. Hanba
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 14121-14121
  • DOI: 10.1038/s41598-019-50610-5
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 都市における環境ストレスに対する樹木の光合成応答 (2023)
  • Author(s): 半場祐子, 松本真由, 清水啓史, 山岸彩, 木下智光, Luisa Kumpsh, 久米篤
  • Organizer: 第13回日本光合成学会年会
  • Invited
• [Presentation] ヒメツリガネゴケ仮根系のX線μCTに よる3D可視化-セグメンテーション精 度向上の取組- (2023)
  • Author(s): 林孝尚, 山浦遼平, 玉置大介, 蒲池浩之, 山内大輔, 峰雪芳宣, 星野真人, 上杉健太朗, 嶋津徹, 笠原春夫, 鎌田源司, 鈴木智美, 日渡祐二, 久米篤, 半場祐子, 藤田知道, 唐原一郎
  • Organizer: 日本宇宙生物科学会第37回大会
• [Presentation] "夜間都市照明が高木街路樹イチョウ・カエデの光合成機能と成長の季節変化に与える影響" (2023)
  • Author(s): 藤村 風歌, 半場 祐子
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
• [Presentation] 都市樹木の光合成機能評価ー高い適性を持つ樹種の探索 (2023)
  • Author(s): 半場 祐子, 筒井 悠里, 堀家 広樹, 久米 篤, 前田 耕治
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
• [Presentation] ヒメツリガネゴケが重力の大きさに応答し成長量を変化させることに関する研究 (2023)
  • Author(s): 青木 真太郎, 山下 祐輝, 半場 祐子, 蒲池 浩之, 唐原 一郎, 久米 篤, 藤田 知道
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
• [Presentation] " スペース・モス宇宙実験で得たヒメツリガネゴケ仮根系のX線マイクロCTによる3D可視化" (2023)
  • Author(s): 唐原 一郎, 若林 孝尚, 山浦 遼平, 玉置 大介, 蒲池 浩之, 山内 大輔, 峰雪 芳宣, 星野 真人, 上杉 健太朗, 嶋津 徹, 笠原 春夫, 鎌田 源司, 鈴木 智美, 日渡 祐二, 半場 祐子, 久米 篤, 藤田 知道
  • Organizer: 日本植物学会第87回大会
• [Presentation] 冠水ストレスに対するイネの光合成応答及び葉肉コンダクタンスへの影響 (2023)
  • Author(s): 安井祐大郎, 半場祐子
  • Organizer: 日本生態学会第70回全国大会
• [Presentation] 冠水ストレスに対するポプラの光合成・形態応答の評価 (2023)
  • Author(s): 岡本耀介, 半場祐子, 馬場啓一
  • Organizer: 日本生態学会第70回全国大会
• [Presentation] 大気湿度環境の変化がイチョウの光合成機能に及ぼす影響 (2023)
  • Author(s): 松浦拓海, 半場祐子
  • Organizer: 日本生態学会第70回全国大会
• [Presentation] 工気象器を用いたギンドロにおける成長の日長応答 (2023)
  • Author(s): 馬場啓一; 栗田悠子; 永野 惇; 三村徹郎
  • Organizer: 第73回日本木材学会大会
• [Presentation] 野外ポプラにおける葉位ごとの季節的なシンク－ソース推移の解明 (2023)
  • Author(s): 栗田 悠子; 鹿島 誠; 馬場 啓一; 石崎 公庸; 小林 奈通子; 田野井 慶太朗; 三村 徹郎; 永野 惇
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] シロイヌナズナの葉のメタボロームに対する液胞膜型アクアポリンTIP2;2遺伝子の変異の影響 (2023)
  • Author(s): 本廣夕佳、土井李里夏、松本朋子、菊地淳、桑形恒男、半場祐子、奈良久美
  • Organizer: 第64回日本植物生理学会年会
• [Presentation] Evaluation of photosynthesis and long-term water use efficiency to air pollution stress for urban roadside trees in Kyoto city (2022)
  • Author(s): Mayu Matsumoto, Takashi Kiyomizu, Saya Yamagishi, Tomomitsu Kinoshita, Luisa Kumpitsch, Atsushi Kume, Yuko T. Hanba
  • Organizer: The 12th Conference of International Consortium of Landscape and Ecological Engineering (ICLEEE 2022))
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 大気中の水蒸気量に対する葉の気孔応答にアクアポリンが与える影響 (2022)
  • Author(s): 半場祐子, 松浦拓海, 冨田麟太郎, 山岸彩, 奈良久美
  • Organizer: 日本植物学会第86回大会
• [Presentation] Evaluation of photosynthesis and long-term water use efficiency to air pollution stress for urban roadside trees in Kyoto city (2022)
  • Author(s): Mayu Matsumoto, Takashi Kiyomizu, Saya Yamagishi, Tomomitsu Kinoshita, Luisa Kumpitsch, Atsushi Kume, Yuko T. Hanba
  • Organizer: INTECOL 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First contact to gravity : earliest land plants bryophytes adapt to increase in gravity via enhancements of photosynthesis and expression of AP2/ERF transcription factors (2022)
  • Author(s): Yuko T. Hanba, Kaori Takemura, Sakihito Kitajima, Maki Yokoi, Akihisa Shinozawa, Ayuko Maeda, Yuichiro Yasuda, Naoya Sakaguchi, Ryuji Kameishi, Hiroyuki Kamachi, Atsushi Kume, Ichirou Karahara, Yoichi Sakata, Tomomichi Fujita
  • Organizer: 18th International Congress on Photosynthesis
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] A Small Talk on Plant Anti-Insect ATS3 and PLAT Proteins and Transient Gene Expression in Radish Sprouts. (2022)
  • Author(s): 北島佐紀人
  • Organizer: 3 rd JAPAN-ASEAN Seminar 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 植物の乳液成分を手掛かりに新規な抗昆虫タンパク質を探す (2022)
  • Author(s): 北島佐紀人
  • Organizer: 第22回農薬バイオサイエンス研究会
  • Invited
• [Presentation] 森林モニタリングから環境変動影響を評価することは何故難しいのか (2021)
  • Author(s): 久米 篤
  • Organizer: 第132回日本森林学会
• [Presentation] シロイヌナズナの液胞膜型アクアポリンTIP2;2の機能解析 (2020)
  • Author(s): 山成由佳子、中原由揮、藤本緋菜、本廣夕佳、桑形恒男、半場祐子、且原真木、奈良久美
  • Organizer: 第62回日本植物生理学会年会
• [Presentation] 短縮周年系で育成したポプラの木部構造と遺伝子発現の関係 (2020)
  • Author(s): 馬場啓一, 栗田悠子, 永野 惇, 三村徹郎
  • Organizer: 日本植物学会第84回大会 2020年9月20日
• [Presentation] 自動車排気ガス由来の一酸化窒素と道 路周辺樹木 の生理活性変化 (2020)
  • Author(s): 久米 篤，清水啓史・山岸 彩・半場祐子
  • Organizer: 第131回日本森林学会大会
• [Presentation] 炭素安定同位体による植物の環境応答評価 (2019)
  • Author(s): 半場 祐子、木下 智光、松本 真由、安田 柚里
  • Organizer: 同位体環境学シンポジウム
• [Presentation] ヒメツリガネゴケ変異体(CDKA）の過重力応答 (2019)
  • Author(s): 安田柚里，久米篤，森耀久，蒲池浩之，藤田知道，半場祐子
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] 京都市内において交通量の違いが街路樹の光合成機能に与える影響 (2019)
  • Author(s): 松本真由、山田悦、前田耕治、半場祐子
  • Organizer: 日本植物学会第83回大会
• [Presentation] VPD の変化に対するユーカリの光合成応答にアクアポリンが果たす役割 (2019)
  • Author(s): 山岸 彩, 北島 佐紀人, 半場 祐子
  • Organizer: 第66回日本生態学会大会
• [Presentation] "乾燥条件下における中低木街路樹の生理学的応答の比較 " (2019)
  • Author(s): 堀家 広樹, 半場 祐子
  • Organizer: 第66回日本生態学会大会
• [Book] 同位体環境学がえがく世界 (担当:分担執筆, 範囲:街路樹の炭素安定同位体比からCOVID19による産業活動停滞の影響検出を試みる) (2023)
  • Author(s): 半場祐子
  • Total Pages: 4
  • Publisher: 総合地球環境学研究所
  • ISBN: 9784910834177
• [Book] 木本植物の生理生態 第8章 安定同位体から見た森林樹木 (2020)
  • Author(s): 半場祐子
  • Total Pages: 264
  • Publisher: 共立出版
  • ISBN: 9784320058125
• [Book] 木本植物の生理生態 第11.2章 (2020)
  • Author(s): 久米篤
  • Total Pages: 264
  • Publisher: 共立出版
  • ISBN: 9784320058125
• [Remarks] 「都市環境と宇宙環境の植物研究を進める」京都工芸繊維大学 半場祐子教授にインタビュー
  • URL: https://terra-rium.com/ja/articles/8101/
• [Remarks] 京都工芸繊維大学 応用生物学課程HP
  • URL: http://www.bio.kit.ac.jp/